コンクリート工学年次論文集，Vol.44，No.1，2022

論文

常温硬化性能を有した低炭素型高強度繊維補強モルタルの検討
水野

剣一*1・正木徹*2・谷口修*3・茶林敬司*4

要旨：本検討では，セメントを高炉スラグ微粉末で高炉セメント C 種相当に置換した低炭素型でかつ常温硬化性能を有した圧縮強度 100N/mm2 クラスの高強度繊維補強モルタルの各種性状，硬化物性および耐久性を評価した。その結果，5℃環境ではやや凝結遅延が発生したものの 20℃環境や 35℃環境では常温硬化可能であり，凍結融解，中性化に対する抵抗性は非常に高いことを確認した。
キーワード：高強度，繊維補強モルタル，常温硬化，低炭素型
1. はじめに

2. 実験概要

超高強度繊維補強コンクリートは，圧縮強度が150N/mm2

本実験は，環境温度の違いによる基礎性状試験(シリー以上であり，有害因子に対する侵入抵抗性なズⅠ)と基本配合の各種硬化物性および耐久性試験(シリーどに優れ，繊維添加により高い靭性を有したコンクリーズⅡ)の 2 つから構成される。

トである。しかし，超高強度繊維補強コンクリートは主2.1 使用材料にプレキャスト工場で製造されるため，製造コストの上表－1 に使用材料を示す。普通ポルトランドセメント，昇や部材寸法に制限されるなどの課題もある。そのため，シリカフューム，高炉スラグ微粉末を用いた。また，石超高強度繊維補強コンクリートの更なる普及を目指し，

膏（AG）は自己収縮抑制および初期強度確保を目的とし，通常のコンクリート同様に現場施工を可能とする常温硬ウォラストナイトは曲げ強度向上と材料分離抵抗を目的化型の超高強度繊維補強コンクリートについて検討が進とした。混和剤にはポリカルボン酸系の高性能 AE 減水められている 1）。さらに，床版取替工事などでプレキャ剤と粉体系消泡剤を使用し，鋼繊維は直径 0.20mm，長スト同士を接合する間詰材として常温硬化による超高強さ 13mm とした。環境温度による違い検討（シリーズⅠ）

度繊維補強コンクリートや高強度繊維補強モルタルが使では，早強ポルトランドセメントやエリソルビン酸ナト用され始めている。しかしながら，超高強度の場合にはリウムの遅延剤を使用した。

自己収縮が大きいことや特殊ミキサを使用しなければな

2.2 基本配合らないなどの課題があるため，それよりも強度が低い

表－2 に標準配合を示す。なお，標準配合は 20℃環境

100N/mm クラスの高強度繊維補強モルタルがより汎用で材料分離がなく，フロー値 250～310mm，空気量 2.0±的であると考えられる。

1.5%，圧縮強度 100N/mm2 以上を目標とし，配合検討に一方、近年では温室効果ガスの排出量削減対策が重要よって決定した。標準配合は普通ポルトランドセメントとなっており，セメントを高炉スラグ微粉末などの産業副産物に置換する低炭素型のコンクリートの汎用化が期

表－1 使用材料待されいる。特に高強度の場合はセメントを大量に使用
材料

記号

密度(g/cm3)

CO2 を大幅に低減することが可能である。しかし，高強水(上水道水)

度繊維補強モルタルでは，セメントの一部を高炉スラグ

普通ポルトランドセメント
早強ポルトランドセメント
高炉スラグ微粉末4000

W
C(N)
C(H)
BSSF
AG
WA
S
SP
DF
FR

1.00
3.16
3.14
2.91
2.25
2.90
2.91
2.61
1.07
1.00
7.85
1.65

しているため，セメントを産業副産物に置換することで微粉末に置換する検討はされているものの 2)，高炉セメ
ント C 種相当に置換した配合検討したデータは少ない。

シリカフューム
石膏
ウォラストナイト
細骨材
高性能AE減水剤

そこで，本検討ではセメントを高炉スラグ微粉末で70%置換した低炭素型でかつ常温硬化性能を有する高強度繊維補強モルタルの検討を行い，その各種硬化物性および耐久性を把握することを目的とする。

消泡剤
鋼繊維(引張強度 2750N/mm2 以上)遅延剤(エリソルビン酸ナトリウム)*1 五洋建設株式会社 技術研究所

土木技術開発部係長 修士（工学）*2 五洋建設株式会社 技術研究所

土木技術開発部(正会員)*3 五洋建設株式会社 技術研究所

土木技術開発部

専門部長*4 株式会社トクヤマ セメント開発グループ修士（理学）

15-1

(正会員)

博士（工学）(正会員)

を使用したシリーズⅡの実施配合であり，セメントと高鋼繊維が分散しており，材料分離やファイバーボールの炉スラグ微粉末を 3 対 7 とし，結合材全体の各種材料割発生は認められなかった。

合はセメント 26%，高炉スラグ微粉末 61%，シリカフュ

フローの結果を図－1 に示す。5℃環境はフローが大きーム 8%，石膏 5%とした。なお，ウォラストナイトは細いがこわばりが発生したため，SP の添加量を減らすこと骨材として計上した。

ができなかった。35℃環境でもフローが大きくなったた

2.3 練混ぜ方法

め，SP の添加量を減らしてフローを調整した。また，遅環境温度の違いによる性状試験の練混ぜには，シャフ延剤を添加した場合でもフローが大きくなる傾向が見られたため SP の添加量を減らした。

トレスミキサ（容量：60L）を使用し，1 回の練混ぜ量は35L とした。水，SP および鋼繊維以外の材料をミキサ内

早強ポルトランドセメントを使用した場合には，普通に投入後，60 秒間練り混ぜ，SP および水を投入して 7ポルトランドセメントに比べフローが低下する傾向が見分間練り混ぜた。練り上がったモルタルに鋼繊維を添加られた。これは早強ポルトランドセメントの粉末度が普し，さらに 2 分間練り混ぜて排出した。

通ポルトランドセメントより大きいために粘性が増加し各種物性試験の練混ぜでは，実機を想定して大型のパたと考えられる。

ン型強制練りミキサ（容量：570L）を使用し，1 回の練空気量試験は JIS A 1128：2019「フレッシュコンクリー

混ぜ量は 110L とした。水，SP および鋼繊維以外の材料

トの空気量の圧力による試験方法―空気室圧力方法」ではプレミックス化して実施した。なお，鋼繊維添加後は実施した。空気量の管理値は，2.0±1.5%とした。空気量流動性が低下するため添加前に比べ練り混ぜがしにくい状況であった。それぞれのミキサを写真－1 に示す。
3. 環境温度の違いによる性状試験(シリーズⅠ)
全配合を表－3 に示す。35℃環境では遅延剤を添加した配合も実施した。
3.1 フレッシュ性状フロー試験は JIS R 5201：2015「セメントの物理試験

写真－1 使用ミキサ（左：シャフトレスミキサ，右：方法」を参考に落下なしのフロー値で評価した。フロー大型のパン型強制練りミキサ）の管理としては，各温度で普通ポルトランドセメントの配合がフロー値 250～310mm となるように高性能 AE 減水剤を調整した。普通ポルトランドセメントによる 20℃
環境のフロー試験後の写真を写真－2 に示す。先端まで
表－2 標準配合単位量(kg/m3)
B
WCWASSPDFF

87844 適宜調整 1.15 157

BS SF AG230 300 700 9258

写真－2 フロー試験後の写真

表－3 配合表(シリーズⅠ)

No.
20_N
20_H
35_N
35_N_R1
35_N_R2
35_H
5_N
5_H

気温(℃)
20355ｾﾒﾝﾄ
種類
N
H
N
N
N
H
N
H

W
230
230
230
230
230
230
230
230

B
C
300
300
300
300
300
300
300
300

BS
700
700
700
700
700
700
700
700

SF
92
92
92
92
92
92
92
92

15-2

AG
57.5
57.5
57.5
57.5
57.5
57.5
57.5
57.5

WA

S

SP

DF

R

F

87
87
87
87
87
87
87
87

844
833
844
844
844
833
844
833

10.4
10.4
8.6
6.9
6.9
10.4
10.4
10.4

1.15
1.15
1.15
1.15
1.15
1.15
1.15
1.15

0
00
1.2
1.7
000

157
157
157
157
157
157
157
157

400

たが，すべての配合で管理値を満足した。

350

3.2 凝結時間300

フロー値(mm)

試験結果を図－2 に示す。5℃環境ではばらつきがみられ凝結試験は JIS A 5201：1147「コンクリートの凝結時間試験方法」を参考に鋼繊維を除いた配合で実施した。凝結試験結果を図－3 に示す。20℃環境では，普通と早強管理値

25020015010050

では始発時間には違いが見られず，20_N で 5.7 時間，

020_H で 5.4 時間であった。
35℃環境ではどちらも始発時間は早く，35_N で 2.0 時間, 35_H で 2.8 時間であった。なお，早強ポルトランド

図－1 フロー試験結果

セメントが普通ポルトランドセメントに比べ遅い理由と空気量(％)

しては SP の添加量が多いことが原因と考えられる。使用した SP は遅延効果があるため，SP の添加量が普通ポルトランドセメントより多い早強ポルトランドセメントの方が遅延したと考えられる。35℃環境では始発時間が43.5
32.5
21.5
10.50管理値

2 時間程度と早いことから凝結時間を遅らせるために遅延効果のあるエリソルビン酸ナトリウムを使用したケースも実施した。添加量は 35_N_R1 で B×1.0%(1.2kg/m3)，

図－2 空気量結果

35_N_R2×1.5%(1.7kg/m3)とし，それぞれの始発時間は

60

35_N_R1 で 4.5 時間，35_N_R2 で 10.0 時間であった。こ34.450
凝結時間(h)の結果からエリソルビン酸ナトリウムによって凝結時間を調整することが可能であった。
5℃環境の始発時間と終結時間はかなり遅れる傾向であった。始発時間としては，5_N で 22.1 時間, 5_H で 16.0時間であり，普通ポルトランドセメントと早強ポルトランドセメントの違いは約 6 時間程度であった。

23.64020.83020
終結 8.810
始発 5.707.72

16.0
4.1

3.6
5.422.18.54.510.02.83.3 圧縮強度
圧縮強度試験は JIS A 1108：2018「コンクリートの圧縮強度試験方法」で実施した。供試体はφ50×100mm の円

図－3 凝結試験結果
160

蒸発を防ぐため，表面をビニールシートで覆った。20℃

140環境は標準養生としたが，35℃環境と 5℃環境は恒温室120の封緘養生とした。圧縮強度試験の材齢は 7 日，28 日，91 日で実施した。ただし，35℃環境の遅延剤を添加したケースでは，材齢 91 日を実施していない。

圧縮強度(N/mm2)

柱とし，一度に流し込んで成型した。脱型までの水分の

材齢91日
材齢28日
材齢7日

10080604020

圧縮強度試験結果を図－4 に示す。20℃環境と 35℃環0境では，材齢 7 日で 100N/mm2 を超えていたが，5℃環境
では 5_N の配合では 59 N/mm2 であった。20℃環境と 35℃環境では，普通ポルトランドセメントと早強ポルトラン

図－4 圧縮試験結果（シリーズⅠ）

ドセメントではあまり違いが見られていない。この理由として，普通ポルトランドセメントでも材齢 7 日でると考えられる。

100N/mm2 を超えており十分な強度発現しているため，既4. 各種諸物性(シリーズⅡ)に粉末度による影響は小さくなっていると考えられる。
5℃環境については，材齢 7 日で 5_H の方が大きいもの

表－2 に示す標準配合を対象として普通ポルトランドの，材齢 28 日ではどちらも 100N/mm2 程度であった。早セメントを使用した配合に対して試験を実施した。

強ポルトランドセメントの配合は始発時間や終結時間は4.1 圧縮強度早まっているため，材齢 7 日までは強度促進の効果があ

圧縮強度試験は JIS A 1108 で実施した。供試体はφ5015-3

×100mm の円柱とし，標準養生とした。土木学会「超高×200mm の円柱とし，一度に流し込んで成型した。供試3)

強度繊維補強コンクリートの設計・施工指針（案）」（以体は 50 本作製して危険率 5%となる特性値の把握を行下，UFC 指針と略記）では危険率 5%となる値を特性値った。とされているため，特性値の把握のために供試体を 100

割裂ひび割れ発生強度試験結果の度数分布を図－8 に本作製して試験した。圧縮試験機と供試体端面の写真を写真－3 に示す。
圧縮強度試験結果の度数分布を図－5 に示す。圧縮強度の平均値は，114.9N/mm2，標準偏差は 7.3N/mm2 であった。平均値と標準偏差で正規分布と仮定した場合で危険率 5%となる値は 102.8N/mm2 であった。既往の UFC の標準偏差は 7.7N/mm2 であり 3），本配合では UFC に比べ平均値は小さいものの標準偏差は同程度の傾向を示した。
なお，低強度となる分布形状の左側の頻度が多い傾向が見られ、正規分布からは形状が歪んだものとなっている。

写真－3 圧縮試験機（左）と供試体端面（右）の写真
30

ミックス材を対象としているため，材料に起因するばら25つきは小さいと考えられ，それ以外の変動要因は繊維の20
度数

これらの要因として，本検討では同時期に製造したプレ分散や供試体の製作に起因するものが標準偏差や頻度分

平均:114.9N/mm2
標準偏差:7.3N/mm215布の形状に影響したものと推察されるが特に UFC と優10位な差はないと考えられる。

54.2 曲げ強度0

曲げ強度および曲げひび割れ発生強度は，UFC 指針
3.5.3 記載「曲げ強度試験方法」
で実施した。供試体は 100
圧縮強度(N/mm2)×100×400mm の角柱とし，材料が均一になるように型枠の端部から一度に流して成形した。供試体は 50 本作

図－5 圧縮試験結果（シリーズⅡ）製して危険率 5%となる特性値の把握を行った。

20

曲げ強度試験結果の度数分布を図－6 に示す。曲げ強平均:24.3N/mm2
標準偏差:2.5N/mm2

度の平均値は 24.3N/mm2，標準偏差は 2.5N/mm2 であっ15度数た。平均値と標準偏差で正規分布と仮定した場合で危険率 5%となる値は 20.1N/mm2 であった。既往の UFC の標

10

準偏差は 4.6N/mm2 であり 1），UFC に比べ標準偏差は小5さな傾向を示した。平均値と標準偏差の割合は 10%となっており，その場合でも UFC の 14%より若干小さい値0であった。

18-20 20-22 22-24 24-26 26-28 28-30 30-32 32-34

曲げひび割れ発生強度試験結果の度数分布を図－7 に曲げ強度(N/mm2)示す。曲げひび割れ発生強度の平均値は 16.8N/mm2，標

図－6 曲げ強度試験結果

準偏差は 1.0N/mm2 であった。平均値と標準偏差で正規25分布と仮定した場合で危険率 5%となる値は 15.1N/mm220

標準偏差は同程度の傾向を示した。
図－6,図－7 の標準偏差や頻度分布の形状に関しては，度数であった。既往の UFC の標準偏差は 1.3N/mm2 であり 1），

平均:16.8N/mm2
標準偏差:1.0N/mm2

1510

圧縮強度と同様にプレミックス材の使用や試験体の製作に起因するものが影響したものと推察されるが特に5UFC と優位な差はないと考えられる。

04.3 割裂ひび割れ発生強度

13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21
曲げひび割れ発生強度(N/mm2)

割裂ひび割れ発生強度は，UFC 指針 3.5.3 記載「割裂ひび割れ発生強度試験方法」で実施した。供試体はφ100

図－7 曲げひび割れ発生強度試験結果

15-4示す。割裂ひび割れ発生強度の平均値は 8.5N/mm2，標準20偏差は 1.1N/mm2 であった。平均値と標準偏差で正規分布と仮定した場合で危険率 5%となる値は 6.7N/mm2 で平均:8.5N/mm2
標準偏差:1.1N/mm215あった。既往の UFC の標準偏差は 1.3N/mm2 であり 3），度数標準偏差は同程度の傾向を示した。前述したようにプレミックス材の使用や試験体の製作に起因するものが影響したものと推察されるが,特に UFC と優位な差はないと105考えられる。
4.4 ヤング係数

05-6ヤング係数は，JIS A 1149：2001「コンクリートの静弾6-77-88-99-10

10-1111-12

ひび割れ発生強度(N/mm2)性係数試験方法」に準じて測定した。供試体はφ100×200mm の円柱供試体 3 本とし，材齢 28 日で試験した。

図－8 割裂ひび割れ発生強度試験結果
200

学会「鉄筋コンクリート構造計算規準・同解説 1999」の100推定式 4）に圧縮強度 114.9N/mm2，鋼繊維を含んだ単位体
積重量 24.6kN/m3 とした場合 43kN/mm2 であり，その値に比べて本配合は小さい値であった。
4.5 自己収縮
自己収縮は，JCI-SAS2 に準拠するセメントペースト，自己収縮ひずみ（×10-6）

ヤング係数の平均値は 40kN/mm2 であった。日本建築

モルタルおよびコンクリートの自己収縮および自己膨張

0-100-200-300-400-5000

試験方法（案）で実施した。供試体は 40×40×160mm の50
100
150
凝結始発からの材齢（日）角柱とした。測定は始発を基準とし，材齢 182 日まで実施した。

200

図－9 自己収縮ひずみの試験結果0ているために材齢 1 日では 98×10-6 膨張しており，材齢-50

乾燥収縮ひずみ（×10-6）

図－9 に自己収縮ひずみの結果を示す。石膏を添加し182 日までの自己収縮ひずみは 470×10-6 であった。
4.6 乾燥収縮
乾燥収縮ひずみは，JIS A 1129-2：2001「モルタル及びコンクリートの長さ変化試験方法－第 2 部：コンタクトゲージ方法」で実施した。供試体は 40×40×160mm の角柱とした。測定は標準養生 7 日後を基準とし，材齢 182-100-150-200-250-300-350-400-4500日まで実施した。

50

図－10 に乾燥収縮ひずみの結果を示す。乾燥収縮ひず
みは 390×10-6 であったものの，図－9 に示す通り自己収100
試験期間（日）150200

図－10 乾燥収縮ひずみの試験結果

縮は材齢 7 日以降も収縮しているため，この値は自己収縮ひずみも含んでいると考えられる。このため，自己収度になったと思われる。

縮ひずみの 7 日以降の値 264×10-6 を差し引くと 126×

一方，本配合の全収縮ひずみは自己収縮ひずみ 470×10-6 であり，この値が乾燥収縮ひずみと考えられる。同10-6 と乾燥収縮ひずみ 126×10-6 を合わせた 596×10-6 で様に常温硬化型の超高強度繊維補強コンクリートあり，既往の常温硬化型の超高強度繊維補強コンクリー（W/C=13%，圧縮強度 180N/mm2）1）で算定すると，材トは 770×10-6 であることから，本配合の方が小さい。

齢 7 日以降の自己収縮ひずみは 290×10-6 程度であり，ただし，本配合は材齢 1 日で 98×10-6 膨張しているため，400×10-6 であるため実収縮のみとしても小さい値であった。この原因は，水結際の乾燥収縮ひずみは 110×10-6 程度と考えられる。供試

合材比が大きいために自己収縮が小さくなったことが原体寸法の違いはあるものの本配合と同程度の乾燥収縮値因と考えられる。

であった。乾燥収縮は単位水量，骨材，水結合材比，結4.7 凍結融解抵抗性

合材の種類など様々な影響していると考えられるが，単凍結融解試験は，JIS A 1148：2001「コンクリートの凍位水量が同じであったことで水分逸散による影響が同程結融解試験方法（A 法）」で実施した。465 回以上の凍結乾燥収縮ひずみ試験の合計値が15-5融解抵抗性を有していれば，期間 100 年での凍結融解の1205）繰り返しによる性能の低下はないとされているため ，相対動弾性係数

100600 サイクルまでで実施した。なお，供試体作製時の空気量は 2.5％であった。
図－11 にサイクル数と相対動弾性係数との関係を示す。凍結融解サイクル 600 回においても相対動弾性係数の低下は認められなかった。また，図－12 にサイクル数

8060402000と質量変化率との関係を示す。供試体の質量減少も認め

100200300400500600

凍結融解サイクル（回）られなかった。
4.8 中性化

図－11 サイクル数と相対動弾性係数との関係
10促進中性化試験方法」とし，中性化深さは，JIS A 1152：

0

供試体質量変化率 (%)

促進中性化試験は，JIS A 1153：2003「コンクリートの2002「コンクリートの中性化深さの測定方法」で実施した。供試体は 100×100×400mm の角柱とし，5 体を作成して試験を行った。
促進中性化期間 26 週における供試体にフェノールフタレイン溶液を噴霧した状況を写真－4 に示す。すべ-10-20-30-40-50ての試験体において表層まで紫色となっており，中性化

0100200300400500600

凍結融解サイクル（回）深さは 0.5mm 以下であった。日本建築学会「2009 年度版
日本建築学会建築工事標準仕様書・同解説 JASS5 鉄筋コ

図－12 サイクル数と質量変化率との関係

ンクリート工事」6）で示されている超長期（200 年）に対応する促進 26 週における中性化深さは 12.5mm 以下となっているため，高炉スラグ微粉末の割合が多い配合であるものの中性化に対する耐久性は非常に高いことが分かった。高強度であることで緻密性が高く炭酸ガスの浸写真－4 促進中性化試験結果透性が低いことが原因と考えられる。中性化試験は継続しており、今後中性化速度係数の算定を行う予定である。

を確認した。

5. まとめ6. 参考文献

セメントを高炉スラグ微粉末で大量置換した低炭素

1)

玉滝浩司，吉田浩一郎，石関嘉一，平田隆祥：常温型でかつ常温硬化性能を有する高強度繊維補強モルタル

硬化型超高強度繊維補強コンクリートの諸性質，コを検討し，各種物性について確認を行った結果，以下のンクリート工学年次論文集，Vol.34，No.1，pp.208-

知見を得た。

213,2012（1）20℃環境では凝結始発を約 5 時間，35℃環境で約

2)

SIPHAVANH OUDOMSAK，藤原浩已，丸岡正知，大2.0 時間なっており，常温硬化で 100N/mm2 程度の配合が塚亮介：粉末度の異なる高炉スラグ微粉末を用いた可能なことを確認した。ただし，5℃環境などの低温時に超高強度繊維補強コンクリートの基本性状に関すは遅延が大きいことやこわばりがあるため，今後対策をる研究，セメント・コンクリート論文集，Vol.71，検討する必要がある。

pp.509-516，2018（2）遅延効果のあるエリソルビン酸ナトリウムを使用す3)

土木学会：超高強度繊維補強コンクリートの設計・施工指針（案），コンクリートライブラリー113，2005

ることで，高強度繊維補強モルタルの凝結時間を遅らせることが可能であることを確認した。

4)（3）本配合の各種硬化物性は，圧縮強度の特性値

日本建築学会：鉄筋コンクリート構造計算規準・同
解説

102.8N/mm2，曲げ強度の特性値 20.1N/mm2，曲げひび割

5)

れ発生強度の特性値は 15.1N/mm2 であった。

－許容応力度設計法―，1999.11

土木学会：自己充てん型高強度高耐久コンクリート
構造物設計・施工指針（案），コンクリートライブラ（4）材齢 182 日までの自己収縮ひずみと乾燥収縮ひず

リー105，2001

みの合計値である全収縮ひずみは 600×10-6 程度であった。
（5）凍結融解，中性化に対する抵抗性は非常に高いこと

6)

日本建築学会：建築工事標準仕様書・同解説 JASS5
鉄筋コンクリート工事，pp.168-176，2009

15-6